Elektronikas inženieri zina, ka antenas sūta un uztver signālus elektromagnētiskās (EM) enerģijas viļņu veidā, ko apraksta Maksvela vienādojumi. Tāpat kā daudzās citās tēmās, arī šos vienādojumus un elektromagnētisma izplatīšanās īpašības var pētīt dažādos līmeņos, sākot no relatīvi kvalitatīviem terminiem līdz sarežģītiem vienādojumiem.
Elektromagnētiskās enerģijas izplatībai ir daudz aspektu, no kuriem viens ir polarizācija, kurai var būt dažāda ietekme vai bažas lietojumos un to antenu konstrukcijās. Polarizācijas pamatprincipi attiecas uz visu elektromagnētisko starojumu, tostarp RF/bezvadu optisko enerģiju, un tos bieži izmanto optiskajos lietojumos.
Kas ir antenas polarizācija?
Pirms izprast polarizāciju, mums vispirms ir jāsaprot elektromagnētisko viļņu pamatprincipi. Šie viļņi sastāv no elektriskajiem laukiem (E laukiem) un magnētiskajiem laukiem (H laukiem) un pārvietojas vienā virzienā. E un H lauki ir perpendikulāri viens otram un plaknes viļņu izplatīšanās virzienam.
Polarizācija attiecas uz E lauka plakni no signāla raidītāja perspektīvas: horizontālās polarizācijas gadījumā elektriskais lauks pārvietosies uz sāniem horizontālajā plaknē, savukārt vertikālās polarizācijas gadījumā elektriskais lauks svārstīsies uz augšu un uz leju vertikālajā plaknē (1. attēls).
1. attēls: Elektromagnētiskās enerģijas viļņi sastāv no savstarpēji perpendikulārām E un H lauka komponentēm
Lineārā polarizācija un apļveida polarizācija
Polarizācijas režīmi ietver šādus:
Lineārās polarizācijas pamatprincipā abas iespējamās polarizācijas ir ortogonālas (perpendikulāras) viena otrai (2. attēls). Teorētiski horizontāli polarizēta uztverošā antena "neredzēs" signālu no vertikāli polarizētas antenas un otrādi, pat ja abas darbojas vienā frekvencē. Jo labāk tās ir izlīdzinātas, jo vairāk signāla tiek uztverts, un enerģijas pārnešana tiek maksimāli palielināta, ja polarizācijas sakrīt.
2. attēls: Lineārā polarizācija nodrošina divas polarizācijas iespējas, kas atrodas taisnā leņķī viena pret otru.
Antenas slīpā polarizācija ir lineāras polarizācijas veids. Tāpat kā pamata horizontālā un vertikālā polarizācija, arī šī polarizācija ir jēgpilna tikai sauszemes vidē. Slīpā polarizācija atrodas ±45 grādu leņķī pret horizontālo atskaites plakni. Lai gan patiesībā šī ir tikai cita lineāras polarizācijas forma, termins "lineārs" parasti attiecas tikai uz horizontāli vai vertikāli polarizētām antenām.
Neskatoties uz nelieliem zudumiem, diagonālās antenas nosūtītie (vai uztvertie) signāli ir iespējami tikai ar horizontāli vai vertikāli polarizētām antenām. Slīpi polarizētas antenas ir noderīgas, ja vienas vai abu antenu polarizācija nav zināma vai mainās lietošanas laikā.
Apļveida polarizācija (CP) ir sarežģītāka nekā lineārā polarizācija. Šajā režīmā polarizācija, ko attēlo E lauka vektors, rotē, signālam izplatoties. Pagriežot pa labi (skatoties no raidītāja), apļveida polarizāciju sauc par labroču apļveida polarizāciju (RHCP); pagriežot pa kreisi, par kreisroču apļveida polarizāciju (LHCP) (3. attēls).
3. attēls: Apļveida polarizācijā elektromagnētiskā viļņa E lauka vektors rotē; šī rotācija var būt pa labi vai pa kreisi.
CP signāls sastāv no diviem ortogonāliem viļņiem, kas atrodas ārpus fāzes. Lai ģenerētu CP signālu, ir nepieciešami trīs nosacījumi. E laukam jāsastāv no divām ortogonālām komponentēm; abām komponentēm jābūt 90 grādu ārpus fāzes un vienādas amplitūdas. Vienkāršs veids, kā ģenerēt CP, ir izmantot spirālveida antenu.
Eliptiskā polarizācija (EP) ir CP veids. Eliptiski polarizēti viļņi ir pastiprinājums, ko rada divi lineāri polarizēti viļņi, piemēram, CP viļņi. Apvienojot divus savstarpēji perpendikulārus lineāri polarizētus viļņus ar nevienādām amplitūdām, rodas eliptiski polarizēts vilnis.
Antenu polarizācijas neatbilstību apraksta polarizācijas zudumu koeficients (PLF). Šis parametrs tiek izteikts decibelos (dB) un ir atkarīgs no polarizācijas leņķa starpības starp raidošo un uztverošo antenu. Teorētiski PLF var svārstīties no 0 dB (bez zudumiem) perfekti noregulētai antenai līdz bezgalīgiem dB (bezgalīgiem zudumiem) perfekti ortogonālai antenai.
Tomēr patiesībā polarizācijas izlīdzinājums (vai nepareizs izlīdzinājums) nav perfekts, jo antenas mehāniskais novietojums, lietotāja uzvedība, kanāla kropļojumi, daudzceļu atstarojumi un citas parādības var izraisīt zināmu pārraidītā elektromagnētiskā lauka leņķisko kropļojumu. Sākotnēji no ortogonālās polarizācijas būs 10–30 dB vai vairāk signāla šķērspolarizācijas "noplūde", kas dažos gadījumos var būt pietiekama, lai traucētu vēlamā signāla atgūšanu.
Turpretī divu izlīdzinātu antenu ar ideālu polarizāciju faktiskais PLF var būt 10 dB, 20 dB vai lielāks atkarībā no apstākļiem, un tas var kavēt signāla atjaunošanu. Citiem vārdiem sakot, netīša šķērspolarizācija un PLF var darboties abos virzienos, traucējot vēlamajam signālam vai samazinot vēlamo signāla stiprumu.
Kāpēc jāuztraucas par polarizāciju?
Polarizācija darbojas divos veidos: jo vairāk divas antenas ir novietotas vienādi un tām ir vienāda polarizācija, jo labāks ir uztvertā signāla stiprums. Savukārt slikts polarizācijas novietojums apgrūtina uztvērējiem, gan apzināti, gan neapmierināti, uztvert pietiekami daudz interesējošā signāla. Daudzos gadījumos "kanāls" kropļo pārraidīto polarizāciju vai arī viena vai abas antenas neatrodas fiksētā statiskā virzienā.
Polarizācijas izvēli parasti nosaka uzstādīšanas vai atmosfēras apstākļi. Piemēram, horizontāli polarizēta antena darbosies labāk un saglabās savu polarizāciju, ja tā tiks uzstādīta pie griestiem; turpretī vertikāli polarizēta antena darbosies labāk un saglabās savu polarizācijas veiktspēju, ja tā tiks uzstādīta pie sānu sienas.
Plaši izmantotā dipola antena (vienkārša vai salocīta) ir horizontāli polarizēta tās "normālajā" montāžas orientācijā (4. attēls) un bieži tiek pagriezta par 90 grādiem, lai nepieciešamības gadījumā iegūtu vertikālu polarizāciju vai atbalstītu vēlamo polarizācijas režīmu (5. attēls).
4. attēls: Dipola antena parasti tiek horizontāli uzstādīta uz masta, lai nodrošinātu horizontālu polarizāciju.
5. attēls: Lietojumiem, kuriem nepieciešama vertikāla polarizācija, dipola antenu var uzstādīt atbilstoši vietai, kur antena uztver
Vertikālā polarizācija parasti tiek izmantota rokas mobilajiem radioaparātiem, piemēram, tiem, ko izmanto pirmās palīdzības sniedzēji, jo daudzas vertikāli polarizētas radioantenu konstrukcijas nodrošina arī visvirzienu starojuma modeli. Tādēļ šādas antenas nav jāpārorientē pat tad, ja mainās radioaparāta un antenas virziens.
3–30 MHz augstfrekvences (HF) antenas parasti tiek konstruētas kā vienkārši gari vadi, kas horizontāli savērti kopā starp kronšteiniem. To garumu nosaka viļņa garums (10–100 m). Šāda veida antena ir dabiski horizontāli polarizēta.
Jāatzīmē, ka šo joslu sāka dēvēt par "augstfrekvenci" pirms vairākiem gadu desmitiem, kad 30 MHz patiešām bija augsta frekvence. Lai gan šis apraksts tagad šķiet novecojis, tas ir oficiāls Starptautiskās Telekomunikāciju savienības apzīmējums un joprojām tiek plaši izmantots.
Vēlamo polarizāciju var noteikt divos veidos: vai nu izmantojot zemes viļņus spēcīgākai īsa darbības rādiusa signalizācijai, ko nodrošina apraides iekārtas, izmantojot 300 kHz - 3 MHz vidējo viļņu (MW) joslu, vai arī izmantojot debesu viļņus lielākos attālumos, izmantojot jonosfēras saiti. Vispārīgi runājot, vertikāli polarizētām antenām ir labāka zemes viļņu izplatīšanās, savukārt horizontāli polarizētām antenām ir labāka debesu viļņu veiktspēja.
Apļveida polarizācija tiek plaši izmantota satelītiem, jo satelīta orientācija attiecībā pret zemes stacijām un citiem satelītiem pastāvīgi mainās. Raidīšanas un uztveršanas antenu efektivitāte ir vislielākā, ja abas ir apļveida polarizētas, bet lineāri polarizētas antenas var izmantot ar CP antenām, lai gan pastāv polarizācijas zudumu faktors.
Polarizācija ir svarīga arī 5G sistēmām. Daži 5G vairāku ieeju/vairāku izeju (MIMO) antenu bloki panāk palielinātu caurlaidspēju, izmantojot polarizāciju, lai efektīvāk izmantotu pieejamo spektru. Tas tiek panākts, kombinējot dažādas signālu polarizācijas un antenu telpisko multipleksēšanu (telpas dažādību).
Sistēma var pārraidīt divas datu plūsmas, jo datu plūsmas ir savienotas ar neatkarīgām ortogonāli polarizētām antenām un tās var atgūt neatkarīgi. Pat ja pastāv zināma šķērspolarizācija ceļa un kanāla kropļojumu, atstarojumu, daudzceļu un citu nepilnību dēļ, uztvērējs izmanto sarežģītus algoritmus, lai atgūtu katru sākotnējo signālu, kā rezultātā tiek panākts zems bitu kļūdu līmenis (BER) un galu galā uzlabota spektra izmantošana.
noslēgumā
Polarizācija ir svarīga antenas īpašība, kas bieži tiek ignorēta. Dažādos pielietojumos tiek izmantota lineāra (tostarp horizontāla un vertikāla) polarizācija, slīpa polarizācija, apļveida polarizācija un eliptiska polarizācija. Antenas sasniedzamais RF veiktspējas diapazons ir atkarīgs no tās relatīvās orientācijas un novietojuma. Standarta antenām ir atšķirīga polarizācija, un tās ir piemērotas dažādām spektra daļām, nodrošinot vēlamo polarizāciju mērķa pielietojumam.
Ieteicamie produkti:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametri | Tipisks | Vienības |
| Frekvenču diapazons | 20–30 | GHz |
| Ieguvums | 15. tips. | dBi |
| VSWR | 1.3 Tips. | |
| Polarizācija | Divkāršs Lineārs | |
| Šķērspolācijas izolācija | 60 tips. | dB |
| Portu izolācija | 70 tips. | dB |
| Savienotājs | SMA-Female | |
| Materiāls | Al | |
| Apdare | Krāsa | |
| Izmērs(G*P*A) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Svars | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Prece | Specifikācija | Vienība |
| Frekvenču diapazons | 1.–18. | GHz |
| Ieguvums | 10 tips. | dBi |
| VSWR | 1,5 Tip. | |
| Polarizācija | Lineārs | |
| Šķērsvirziena izolācija | 30 tips. | dB |
| Savienotājs | SMA-sieviete | |
| Apdare | Pnav | |
| Materiāls | Al | |
| Izmērs(G*P*A) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Svars | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parametri | Tipisks | Vienības |
| Frekvenču diapazons | 2.–18. | GHz |
| Ieguvums | 15. tips. | dBi |
| VSWR | 1,5 Tip. |
|
| Polarizācija | Divkāršs Lineārs |
|
| Šķērspolācijas izolācija | 40 | dB |
| Portu izolācija | 40 | dB |
| Savienotājs | SMA-F |
|
| Virsmas apstrāde | Pnav |
|
| Izmērs(G*P*A) | 276*147*147(±5) | mm |
| Svars | 0,945 | kg |
| Materiāls | Al |
|
| Darba temperatūra | -40–+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parametri | Tipisks | Vienības |
| Frekvenču diapazons | 93.–95. gads | GHz |
| Ieguvums | 22. tips. | dBi |
| VSWR | 1.3 Tips. |
|
| Polarizācija | Divkāršs Lineārs |
|
| Šķērspolācijas izolācija | 60 tips. | dB |
| Portu izolācija | 67. tips. | dB |
| Savienotājs | WR10 |
|
| Materiāls | Cu |
|
| Apdare | Zelta |
|
| Izmērs(G*P*A) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Svars | 0,015 | kg |
Publicēšanas laiks: 2024. gada 11. aprīlis
